Thorium Unboxed

[opengeiger.de]

Ich verzweige mal aus diesem Link https://www.geigerzaehlerforum.de/index.php?msg=31793 hierher, da die Grundlagen zum hochspannenden Thorium eigentlich einen eigenen Thread verdienen.

Also, starten wir mal beim Wikipedia Eintrag zum Thorium: https://de.wikipedia.org/wiki/Thorium
Da steht nun bei den Isotopen, dass Thorium zu 100% als Th232 vorliegt und nur in Spuren als Th228. Das suggeriert, dass Th-nat eigentlich 99.99x % Th232 ist??? Aber kann man Wikipedia alles glauben?

Heute kann man beispielsweise immer noch thorierte Schweisselektroden kaufen, und wir haben in obigem Topic festgestellt, wenn man die 50Jahre und mehr liegen lässt, dann nimmt die Aktivität zu, weil sich die Töchter nachbilden, unter anderem auch das Th228, das von den chemischen Eigenschaften her eigentlich identisch ist zum Th232 und sich nur noch schwer (physikalisch?) vom Th232 abtrennen lässt. Genauso diskutiert eine junge Dame mit dem Namen Anna-Carina Winkelmann in ihrer Masterarbeit am IRS Hannover ihre "Gammaspektrometrische Untersuchungen von Glühstrümpfen und Auernetzen" und stellt fest, dass sich etwa nach 30 Jahren die Aktivität von Th228 (türkisene Kurve) der Aktivität von Th232 (gelbe Kurve) angenähert hat (Abbildung 18). Sie geht also davon aus, am Anfang gibt es kein Ac228 (lila Kurve) in einem Gasglühstrumpf oder Auer-Netz.

https://www.irs.uni-hannover.de/fileadmin/irs/Arbeiten/Master/mastwink.pdf 

Aber warum eigentlich? Hat der Herr Auer eine Isotopentrennung vorgenommen? Oder liegt das daran, dass, wie Wikipedia sagt, dass Thorium (ist damit Th-nat. gemeint?) zu 100% als Th232 vorkommt und die anderen Isotope in nenneswerten Mengen nur synthetisch hergestellt werden können? Aber warum bildet sich dann Th228 nur im Glühstrumpf und in den Schweisselektroden und nicht im Thoriumerz? Und wenn es sich doch bildet, wie bekommt der industrielle Thoriumhersteller isotopenreines Th232 für Schweisselektroden oder Gasglühstrümpfe? Und warum haben wir Thoron in gefährlichen Mengen im Lehmputz? Oder warum schreibt das BfS in einen Jahresbericht (2002) Umweltradioaktivität und Strahlenbelastung zu den Hinterlassenschaften bei der Herstellung von Katalysatoren:
Zitat:
8 - 15 Gew.% Thoriumoxid, entsprechend
567.000 - 1.063.000 Bq/kg Th-nat
(1 Bq Th-nat = 0,5 Bq Th-232 + 0,5 Bq
Th-228)
Zitat Ende?
Ist also doch Th-nat 50% Th-232 und 50% Th228? Und was ist dann mit dem Ac228?

Ja es gibt viele spannende Fragen zum Thorium weit über das interessante Gamma-Spektrum hinaus! Wer weiß dazu was?

[DL3HRT]

Also eine Isotopentrennung hat der Herr Auer nicht durchgeführt, sondern nur eine chemische Trennung. Wie die Wikipedia schon schreibt, kommt Thorium nur in Spuren vor. Das ist natürlich auch im Thoriumerz vorhanden. Wenn das Thorium chemisch abgetrennt wurde, so kann man davon ausgehen, dass es chemisch rein ist, also ohne Radium-228 und Actinium-228. Das Th-228 aus dem Erz ist dann natürlich auch noch im Thorium enthalten, eben in Spuren. Allerdings zerfällt es mit einer HWZ von 1,9 Jahren. Daher fällt die Gesamtaktivität in den ersten Monaten/Jahren nach der chemischen Abtrennung ab. Nun wird aber durch den Zerfall des Th-232 auch Ra-228 neu gebildet, welches eine HWZ von 5,75 Jahren hat. Irgendwann ist dann eben soviel Ra-228 vorhanden, dass neues Th-228 in nenneswerte Menge nachgebildet wird und daher die Gesamtaktivität wieder ansteigt, bis sich nach vielen Jahren ein Gleichgewicht einstellt.

Genau das hast du in deiner Grafik im anderen Thread je in einem Diagramm gezeigt.

[opengeiger.de]

Ach ja hier ist auch noch so eine Literatur-Stelle, ab Seite 3 in:

THYR
Studie zur Sicherheit
von internationalen
Entwicklungen zu
Thorium- und Hybrid-
Reaktoren

von der Gesellschaft für Reaktorsicherheit GRS 2020:
(https://www.grs.de/sites/default/files/publications/grs-613.pdf)

2 Grundlegende Eigenschaften von Thorium
Das Element Thorium (Th) kommt in der Natur nahezu ausschließlich (99,98 %) in Form
des Isotops Thorium-232 ( 232Th) vor.

Ist Thorium also quasi ein isotopenreines Element? Wie muss man das verstehen, Th-nat = 99.98% Th232?

Warum schreibt dann das BfS (1 Bq Th-nat = 0,5 Bq Th-232 + 0,5 Bq Th-228) ?

[DL3HRT]

Ist Thorium also quasi ein isotopenreines Element? Wie muss man das verstehen, Th-nat = 99.98% Th232?

Warum schreibt dann das BfS (1 Bq Th-nat = 0,5 Bq Th-232 + 0,5 Bq Th-228) ?

Weil Th-232 eine HWZ von 14 Milliarden Jahren hat und Th-228 nur von 1,9 Jahren. Die "Spuren" von Th-228 zerfallen einfach viel schneller, so dass sich eben eine vergleichbare Aktivität beider Isotope ergibt. Beim Th-228 sind bei der Angabe des BfS vermutlich auch noch die Tochternuklide berücksichtigt.

[Curium]

Von der Aktivität sind Th228 und Th232 gleich (säkuläres Equilibrium), aber von den Mengenanteilen extrem Unterschiedlich, deshalb die scheinbare Reinheit von Thorium nat mit 100% Th 232. Das Verhältnis der spez Aktivität Th 232 = 4x10 hoch 3 Bq/g und Th 228 3x10 hoch 13 Bq/g. So verhalten sich auch die Mengenanteile. ca Faktor 10 hoch 10, da knn man locker 100% schreiben in WIKI

[opengeiger.de]

Ahh, das macht Sinn, man denkt hier also nicht in Aktivitäten sondern in Mengen! Gut dass es hier schlaue Köpfe gibt 

Dann ist klar: Wenn man Thorium-Metall chemisch reinigt, dann fällt man das Ra228 und das Ac228 raus. Aber wie ist das Isotopen-Aktivitätsverhältnis Th232/Th228 in Bq nach der chemischen Reinigung? Ist es immer noch 1:1 weil das vorher im Erz schon so war? Dieses Verhältnis dürfte sich dann durch die Verarbeitung nicht ändern, das ist wohl die Annahme.

Dann nämlich würde Frau Mastwicks und meine Simulation durchaus stimmen und meine Alterskurve wäre somit korrekt, ausser dass ich 1Bq Th232 und 1 Bq Th228 angenommen habe und die Angabe des BfS ist 1 Bq Th-nat = 0,5 Bq Th-232 + 0,5 Bq Th-228. Die vorher schon vorhandene Aktivität von Th228 baut sich ab, neues Ra228 und Ac228 baut sich auf und damit neues Th228.

Das kann man in diesem Dokument von Union Carbide auf Seite 3 sehen:
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(https://www.osti.gov/servlets/purl/4199670)

Also auch hier ist angenommen Th228(alt) startet mit der gleichen Aktivität wie Th232. Das heisst wohl, dieses Verhältnis bleibt vom Erz zur Schweisselektrode bzw, Gasglühstrumpf durch die ganze Verarbeitung annähernd bei 1:1. Kann man doch daraus schließen, oder?

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Also hier nochmal die Simulation für Th nat = 0.5Bq Th232 + 0.5Bq Th228:
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Die einzelnen Gamma Beiträger (Energien nach Nuklid sortiert)

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und gesamt. Das wäre also nach einer chemischen Th-Metall Reinigung unter der Annahme A(Th232)=A(Th228) zum Zeitpunkt Null.

PS: Bei mir sind noch die Gamma Emissions-Wahrscheinlichkeiten berücksichtigt, in der Arbeit von Mastwink nicht, da ist nur die Aktivität in Bq gezeigt.

[DL3HRT]

Und genau aus diesem Grund sind die alten thoriumhaltigen Magnetrons aus den Jahren 1943-1945 bereits in diesem Gleichgewichtszustand angekommen.

[opengeiger.de]

 

Aber in dem Dokument von Union Carbide steht auch noch das zur Figure 3 oben:

"Of course, if by intention or chance, the material described by Figure 3 were subjected to
chemical or physical processes that resulted in removal of the radium daughters from the
series, the entire process would begin again - gradually increasing the Th232:Th228 activity
ratio, beyond that predicated by the single purification assumed in Figure 3, Theoretically,
it should be possible to ultimately reduce the Th228 activity to an inconsequential fraction
of the Th232 activity.

This behavior of the Th232 decay series is of considerable importance so far as radioactivity
measurements are concerned. It indicates that unless a large amount of information about
the chemical and metallurgical history (and hence the conditions of the radioactive equilibrium)
of the thorium in question is available, the concentration of Th232 cannot be measured
by the activities of the daughters, even Th228. The matter is of particular importance in any
plan to measure Th232 body burden by in vivo gamma spectrometry, since Th232 itself does
not have gamma rays suitable for such a measurement."

Heisst wohl, je öfter das Thorium Metall wiederholt gereinigt wird, um so weniger stimmt die Annahme A(Th232)=A(Th228) zum Zeitpunkt Null.

PS: Wer's aber ganz genau haben will kann hier was Nettes bekommen:
https://www.ptb.de/cms/ptb/fachabteilungen/abt6/fb-61/611-aktivitaetseinheit/abgabe-von-aktivitaetsnormalen/thorium-und-uran-aktivitaetsnormale.html

Zitat:
"Thorium-Aktivitätsnormale als Pulver

Das Ausgangsmaterial der pulverförmigen Thorium-Aktivitätsnormale ist reines Thoriumoxid (ThO2). Das Thorium wurde 1956 abgetrennt, daher sind in den Aktivitätsnormalen die Folgeprodukte des Th-232 (Ra-228, Ac-228, Th-228, ...) nahezu (bis auf 1 Prozent) im radioaktiven Gleichgewicht vorhanden. Eine Bestimmung eines möglichen Th–230–Anteils wurde nicht durchgeführt.

Abgegeben werden Aktivitätsnormale als pulverförmiges Thoriumoxid, abgefüllt in Tablettenröhrchen mit 10 g Inhalt."

Autsch nein, meine erste Rechnung war grob falsch. Th-nat sind 1.52E13 Bq/g. Da hilft es nix, wenn das nur ein Oxid ist !
@NoLi damit erübrigt sich doch die Frage, ob Hinz und Kunz das noch haben darf?  Stimmt doch jetzt, oder?

[NoLi]

...
Also auch hier ist angenommen Th228(alt) startet mit der gleichen Aktivität wie Th232. Das heisst wohl, dieses Verhältnis bleibt vom Erz zur Schweisselektrode bzw, Gasglühstrumpf durch die ganze Verarbeitung annähernd bei 1:1. Kann man doch daraus schließen, oder?

Ja, genau, weil das dazu in großen Mengen benötigte Thorium frisch extrahiert wird.

...
Autsch nein, meine erste Rechnung war grob falsch. Th-nat sind 1.52E13 Bq/g. Da hilft es nix, wenn das nur ein Oxid ist !
@NoLi damit erübrigt sich doch die Frage, ob Hinz und Kunz das noch haben darf?  Stimmt doch jetzt, oder?

Nicht ganz. Th-nat im Zerfallsgleichgewicht besitzt eine Aktivität von 8116 Bq/g (4058 Bq Th-232 + 4058 Bq Th-228). Nur die Thoriummasse besteht zu nahezu 100 Gewichtsprozent aus Th-232, daher häufig die Angaben zur spezifischen Aktivität von Thorium = (gerundet) 4000 Bq/g.
Bei Aktivitätsangaben von Radionukliden mit einer Zerfallsreihe wird in der Regel immer nur die Aktivität des Mutternuklides (hier Th-232) angegeben und auch in der Strahlenschutzverordnung berücksichtigt; Th-228 ist eine Tochter von Th-232.

Norbert

[opengeiger.de]

@NoLi  Wie erklärst Du Dir dann die Angabe für Th-nat in Tabelle 2 letzte Zeile in 
Bestimmung der massebezogenen Aktivitäten von Radionukliden des BMUV:

https://www.bmuv.de/fileadmin/Daten_BMU/Download_PDF/Strahlenschutz/aequival-massakt_v2013-07_bf.pdf

Th-nat *)    1,52*10^13Bq/g ???

[NoLi]

Ich behaupte mal, da ist ein Lapsus Calami passiert.

Oder ein Denkfehler:
1 Bq Th-nat = 0,5 Bq Th-232 + 0,5 Bq Th-228 (also halbe-halbe)
1 Gramm Th-228 = 3,03*10^13 Bq, folglich 0,5 Gramm = 1,52*10^13 Bq
1 Gramm Th-232 = 4,058*10^3 Bq, folglich 0,5 Gramm = 2,029*10^3 Bq

Und bei Th-nat wurden Gewichts-% und Aktivitäts-% verwechselt bzw. verwurschtelt.
In 1 Gramm Th-nat befinden sich 1,34*10^-10 Gramm Th-228, also 0,134 Nano-Gramm oder 134 Pico-Gramm.

Norbert

[opengeiger.de]

Ja, da sieht man mal, wie man sich von einem Statement einer angesehenen Behörde, die für unsere Umwelt zuständig ist, erschrecken läßt. Ich hatte ja auch ne andere Rechnung zuerst, dachte aber, ich schau lieber noch mal nach, ob ich ne amtliche Angabe finde. Und dann bin ich auch etwas erschrocken bei den 10^13Bq/g aber ja, wenn ein Amt was sagt, glaubt der gut erzogene Bürger das erstmal ...

Hier nun aber die Auflösung. Gar nicht so einfach, aber sie haben es nach 9 Jahren selber gemerkt, haben das alte Dokument jedoch nicht vom Server genommen  . Es gab also ein neues Dokument, wo die irrige Annahme um 10 Größenordnungen    korrigiert wurde:

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man findet es unter https://www.bmuv.de/fileadmin/Daten_BMU/Download_PDF/Strahlenschutz/Messanleitungen_2022/aequival_massakt_v2022-03_bf.pdf und es sind noch ein paar Verfasser mehr geworden. Also wir sind nun bei einer spezifizschen Aktivität für Th-nat = 8.14E3Bq/g.  @NoLi

Aber man sollte sich die Begründung für den Fehler und die Hintergründe der Korrektur auch mal zu Gemüte führen:

Zitat:
"Anmerkung:
Bei dem vormals angegebenen Wert von 1,52·10^13 Bq·g^-1 ^-1 für Th_nat wurden die gleichen Massenanteile angenommen, obwohl Th-228 aufgrund seiner im Verhältnis zu Th-232 kurzen Halbwertszeit so gut wie keinen Massebeitrag liefert." Aha, das war doch das was Curium sagte ...

Also auch die hohen Herren können ganz schön daneben liegen. Gut aber wir sehen auch, so ganz einfach ist es gar nicht dieses Massenverhältnis zu bestimmen. Ich habs auch probiert aber man hat schnell eine Unbekannte zu viel im Gleichungssystem. Also der neue Anlauf des Amts sieht nun so aus, Zitat:

"Die spezifische Aktivität von Th_nat wird dann für eine unbehandelte, mehr als 60 Jahre alte im radioaktiven Gleichgewicht befindliche Probe als mit relativen Massenanteilen gewichtete Summe der spezifischen Einzelaktivitäten berechnet"

und

Zitat:
"Der in Klammern angeführte Wichtungsfaktor wird dabei aus den inversen Werten den spezifischen Aktivitäten (a_m,Th-228)^-1 / (a_m,Th-232)^-1 berechnet."

Aber so ganz anschaulich finde ich diese Erklärung jetzt nicht. Klar, das Th228 sind nur ein paar Nanogramm und das haut nicht rein ins Gesamtgewicht. Aber wie berechne ich denn dann diese kleine Menge Th228, z.B. im frisch gereinigten Thorium, das vorher im Gleichgewicht war? Und woher kommt es, dass ich mit einer mit relativen Massenanteilen gewichteten Summe der spezifischen Einzelaktivitäten rechnen muss und den Wichtungsfaktor aus den inversen Werten der spezifischen Aktivitäten bilden muss? Ist das jetzt eine Schätzung, oder gibt es da einen mathematischen Zusammenhang aus dem das eindeutig folgt? Also für eine richtige Begründung fehlt mir da noch eine Gleichung. Oder wie seht ihr das? 

Ich sags ja, im Thorium stecken noch einige Geheimnisse und Überraschungen! 

 

[DL3HRT]

Klar, das Th228 sind nur ein paar Nanogramm und das haut nicht rein ins Gesamtgewicht. Aber wie berechne ich denn dann diese kleine Menge Th228, z.B. im frisch gereinigten Thorium, das vorher im Gleichgewicht war?

Du hast die spezifische Aktivität des Th-228 in Bq/g. Jetzt musst du nur noch ausrechnen, wieviel Nanogramm der tatsächlichen Aktivität von 0,5 Bq/g entspricht. Du wirst dann feststellen, dass selbst Pikogramm noch zu viel sind.   Nanogramm könnte man fast noch wiegen.    

[SievertGray]

The situation is particularly complicated for the 232Th decay chain. Under a normal equilibrium situation one would find that the easily measurable nuclides, 228Ac, 212Pb, 212Bi and 208Tl could all be measured and their activities taken as an estimate of the 232Th activity (bearing in mind that the 208Tl activity would have to be corrected for branching in the decay of 212Bi). However, after chemical separation of thorium, none of these nuclides will necessarily have an activity equal to that of the 232Th.

Imagine that we have chemically isolated 232Th and 228Th and that all of the daughter nuclides have been lost to waste streams. Looking at the daughters of 232Th, we see that, because of its 5.75 year half-life, it will take many years for the 228Ra to grow back to its pre-separation equilibrium value. 228Ac, with a much shorter half-life, will be in secular equilibrium with the 228Ra and will also re-grow on a 5.75 year half-life time-scale.

Considering the 228Th daughters, the 224Ra activity will grow back to equilibrium within a month or so, but then will follow the 1.913 year half-life decay of the 228Th. However, the situation is complicated by the fact that, after initially falling, the 228 Th activity will eventually start to increase again as the 228 Ra daughter of 232 Th, and the parent of 228Th, grows in with a half-life of 5.75 years (see Figures 16.4 and 16.5). In fact, it takes some 40 years to re-establish equilibrium throughout the whole series.

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In principle, if the time of separation of the thorium isotopes from their daughters is known, the activity of all members of the series could be calculated from the measured activities of 228 Ac, 212 Pb, 212 Bi and 208 Tl. In practice, the time of separation is seldom known. Is it possible to glean any reliable information about the activity of the 232 Th itself and the total activity within a sample?

The ratio of pre-228Th activities to post-228Th activities will vary with time. This offers hope of using their ratio to estimate the time from separation. This is fine if the ratio is less than one. (Figure 16.6) If the ratio is one or more, there is ambiguity: for example, if the ratio is 1.05, the growth period could be close to 5 years or close to 30 years. However, modelling of the growth of the thorium isotope daughters reveals that we can make approximations. Even if only one post-228Th nuclide is measured, say 212Pb, and that activity is multiplied by 10 (the number of active nuclides in the thorium series) the result will always be within 25 % of the correct total activity as long as the time from separation is more than one month. Furthermore, after one year, such an estimate can be guaranteed to be no more than 15 % below the true value. While this seems unattractive from a scientific perspective, from the point of view of waste disposal, where large uncertainties on the activity of certain nuclides is acceptable, such an estimate might be satisfactory.
When the 228 Ac/212 Pb activity ratio is greater than one, a better estimate, identified as the 'Best Estimate' in Figures 16.6, can be calculated as:

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where 228Ac is taken to represent the first seven nuclides in the series and 212Pb the last three. The empirical factor is included to minimise the errors. Using this equation the error on the total activity estimate lies between −10% and +5 % (Figure 16.7)

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Gamma spectrometry measurements cannot, however, give a direct estimate of the 232Th activity unless equilibrium is assured or the sample history is known.